Совершенствование технологии волочения длинномерных осесимметричных композиционных электропроводников

В третьей  главе получены соотношения, позволяющие определить напряженно-деформированное состояние при волочении осесимметричных слоистых композиционных изделий

Для практического использования условия (2) и критериев (5) и (6) необходима информация о напряженно-деформированном состоянии заготовки. 

Принимая, что металл заготовки жестко-пластический и используя кинематически возможное поле скоростей, построенное с использованием экспериментальных результатов Перлина И.Л. (рис.5), определим суммарную степень деформации частиц металла

,              (7)

Рис.5. Схема волочения заготовки

где - угол наклона линий тока; ;  ; - угол трения; - коэффициент трения. При и , характерных для процесса волочения, степень деформации можно определить

.                                   (8)

В практических расчетах среднюю степень деформации слоя ограниченного волокнами с координатами  и   ( ) определить

.                           (9)

Анализ показывает, что формулы (8) и (9) соответствуют очагу деформации с плоскими границами.

Рис.6. Схема напряженного состояния элемента слоя заготовки

В решении теоретических и практических задач пластического деформирования композиционных материалов существенные результаты получены Павловым И.М., Астровым Е.И., Аркулисом Г.Э., Тарнавским А.Л., Маковским В.А., Ейльманом Л.С., Ольшаком В., Рыхлевским Я., Урбановским В., Полухиным П.И., Колмогоровым В.Л., Поздеевым А.А., Няшиным Ю.И., Трусовым П.В., Кучеряевым Б.В., Залазинским А.Г., Стеблянко В.Л. и др.

Для определения напряжений в слоях  композиционной заготовки примем ряд допущений, из которых главными являются следующие:

- металл идеальный жестко-пластический;

- касательные напряжения на границе слоев равны - , где - коэффициент трения на поверхности контакта волоки и заготовки; , где и - наружный радиус i –го слоя и радиус заготовки в очаге деформации;

- условие пластичности имеет вид - , где и - продольные и нормальные напряжения в i-ом слое заготовки; - сопротивление деформированию металла i-го слоя заготовки.

- на границах слоев действуют нормальные напряжения 

;

,

где , , - нормальные напряжения в соседних слоях.

Дифференциальное уравнение равновесия элемента слоя (рис.6) имеет вид

,	(10)
где ; ; - коэффициент пластической неоднородности; , - сопротивление деформации металла наружного и i-го слоя, соответственно; ; ;  ;  ; ; ;    ;    .

Определение продольных напряжений в  слоях n-слойной композиционной заготовки сводится к решению системы n неоднородных дифференциальных уравнений первого порядка с переменными коэффициентами, полученных из уравнения (10). В частности, для биметаллической заготовки получено

для оболочки	для сердечника
;	;     (11)

; ;

;

;

; ; и - относительные напряжения противонатяжения. Нормальные напряжения определяются из условий пластичности.

Сравнение расчетных значений напряжения волочения с экспериментальными данными Аркулиса Г.Э., полученными при волочении биметаллического сталемедного прутка показало, что уравнения (10) и (11) могут быть использованы для решения практических задач волочения слоистых композиционных заготовок.

Для триметаллических заготовок из уравнения (10) с учетом граничных условий , , получено

; ;  .

(12)

Постоянные интегрирования определяются из решения системы уравнений

,

где , , - сопротивление деформации наружной оболочки, промежуточной оболочки и сердечника, соответственно; ; ;   ; - радиус заготовки; - радиус промежуточной оболочки; - радиус сердечника; ; , где и - угол наклона границы между наружной и промежуточной оболочкой и сердечником, соответственно; ; ; ( );  ;       ; ;     L – длина очага деформации; ;     ; ; ; ;      ; ; ; ; ;     ; ;   ;  ;  ; ; ; ;

 

Анализ результатов расчета продольных напряжений в слоях би- и триметаллической заготовки позволяет рекомендовать следующие меры, для снижения напряжений в слоях заготовок: уменьшение коэффициента трения ; увеличение угла ; уменьшение вытяжки .

В четвертой главе с использованием условия (1) и критерия (4) проведена оценка существующих маршрутов многопереходного волочения медной никелированной проволоки и композиционной заготовки для СМС на основе сплава NbTi. Рассмотрена возможность сокращения маршрутов волочения.

 

Медная никелированная проволока

По штатной технологии проволока протягивается за 10 переходов по маршруту: 0,260 - 0,246 - 0,227 - 0,210 - 0,194 - 0,179 - 0,165 - 0,150 - 0,140 - 0,129 - 0,120. Толщина никелевой оболочки на исходной заготовке равна 0,008 мм.

Результаты расчета (табл.1) показывают, что при волочении в режиме ГРТ  ( =0,05) для оболочки (индекс – 1) и сердечника (индекс – 2) ( м^-3). Снижение дробности деформации, за счет уменьшения числа переходов, и реализации режима СРТ обеспечивает выполнение условия (4).

Таблица 1

Волочение проволоки в режиме ГРТ и СРТ (

)

=0,05
Переход						, МПа		, МПа		, МПа
0,260-0,243		0,370		0,322		98,6		212,4		83,3		0,104			0,093
0,243-0,227		0,742		0,645		137,5		291,8		116,8		0,210			0,191
0,227-0,210		1,147		1,003		169,1		357,1		143,8		0,327			0,299
0,210-0,194		1,557		1,365		185,6		390,9		158,1		0,446			0,411
0,194-0,179		1,972		1,731		199,3		418,7		169,8		0,569			0,526
0,179-0,165		2,389		2,101		211,0		442,4		179,9		0,695			0,644
0,165-0,150		2,855		2,519		243,7		509,3		208,0		0,836			0,778
0,150-0,140		3,230		2,846		205,0		428,7		174,9		0,952			0,887
0,140-0,129		3,649		3,217		235,6		491,9		201,2		1,083			1,013
0,129-0,120		4,035		3,555		223,3		466,2		190,7		1,208			1,130
Переход			/		, МПа		, МПа		, МПа					/
0,260-0,205	1,61		0,959/0,911		527,2		193,1		232,8		0,215		0,194	0,787/0,629
0,205-0,170	1,45		1,743/1,647		596,2		222,6		266,8		0,409		0,370	0,780/0,631
0,170-0,143	1,41		2,478/2,334		630,3		235,0		281,7		0,600		0,544	0,762/0,613
0,143-0,120	1,42		3,221/3,029		679,2		254,7		304,9		0,797		0,726	0,773/0,624

 

Композиционная заготовка для СМС на основе сплава NbTi (

)

Оболочка заготовки  выполняется  из меди. Сердечник является двухкомпонентным композитом. Используя правило механического смешивания для процессов деформирования структурно-неоднородных сред (В. Фойгт, Э. Рейсс), определим пластические характеристики сердечника композиционной заготовки

,

где ; ; - коэффици-ент заполнения сечения сердечника компонентом 1 (сплав NbTi); ; ; ; ;   ; F₁ - площадь сечения компонента 1; F₂ - площадь сечения компонента 2 (медь).

Волочение осуществляется по маршруту 68,0-61,5-56,0-51,0-46,0-42,0-38,0-34,5-31,5-28,5-26-23,5-21,5-19,5-17,7-16,0-14,5-13,1-11,9-10,8-10,8-9,9-9,1-8,5-8,0-7,3-6,6-6,0-5,3-4,9-4,5-4,1-3,8-3,5-3,2-2,95-2,7-2,5-2,3-2,1-1,95-1,8-1,65-1,5-1,4-1,3-1,2-1.12-1,04-0,96-0.89-0,82-0,76-0,7.

Расчет показывает, что при заданном уровне дефектности ( м^-3) для деформирования заготовки необходимо не менее 4 отжигов. Расчетные значения усилия волочения показывают, что  оборудование между отжигами может быть однотипным, что позволяет скомплектовать парк волочильного оборудования.

Таблица 1

Волочения заготовок для СМС в режиме ГРТ и СРТ

Переход				/		/ , МПа		, Т
1,3-1,2	1,174			0,531/0,427		81,7/88,7	0,010			0,0803		0,0662
1,2-1,12	1,148			1,024/0,816		102,5/111,3	0,011			0,1573		0,1274
1,12-1,04	1,160			1,535/1,223		125,0/135,2	0,012			0,2411		0,1939
1,04-0,96	1,174			2,066/1,650		147,2/158,9	0,012			0,3328		0,2667
0,96-0,89	1,164			2,583/2,062		155,4/167,6	0,011			0,4234		0,3374
0,89-0,82	1,178			3,121/2,496		176,3/189,9	0,010			0,5227		0,4149
0,82-0,76	1,164			3,638/2,909		179,1/192,7	0,009			0,6205		0,4885
0,76-0,70	1,179			4,177/3,344		199,5/214,5	0,008			0,7260		0,5695
Переход			/		/ , МПа		(расчет)
1,30-1,12		1,347	0,770/0,666		123,4/137,6		0,013		0,1346		0,1206
1,12-0,96		1,361	1,558/1,350		181,5/201,6		0,014		0,2910		0,2583
0,96-0,82		1,371	2,359/2,046		220,0/244,1		0,013		0,4626		0,4076
0,82-0,70		1,372	3,161/2,744		249,9/277,0		0,010		0,6456		0,5648

 

В таблице 1 приведены результаты расчета для финишных переходов. Увеличение вытяжки до  1,35-1,37 и реализация режима СРТ позволяют сократить число финишных переходов без увеличения дефектности заготовки. Расчеты показывают, что подобный результат может быть получен и при среднем волочении от диаметра 10,0 мм.

Анализ разных вариантов  волочения показывает, что существует реальный резерв уменьшения необходимого числа переходов и промежуточных отжигов при заданных требованиях к дефектности компонентов заготовки за счет снижения дробности деформации и реализация улучшенных условий трения.

В пятой главе рассмотрены вопросы прочности и стойкости алмазных волок используемых на финишных переходах волочения и определяющих качество готового изделия.

Для определения напряженно-деформированного состояния алмазного волочильного инструмента использован решена осесиммтричная задача теории упругости с использованием метода конечных элементов.

Контактное давление определялось из условия пластичности 

Температура на контакте волоки и  заготовки определялась по методике, предложенной в работах Колмогорова  В.Л. и Колмогорова Г.Л.:

,

где - температура проволоки на входе в очаг деформации, - деформационный разогрев поверхностных слоев проволоки, - разогрев поверхностных слоев проволоки за счет действия сил трения.

Рис.7. Распределение относительных эквивалентных напряжений по сечению кристалла алмаза: ---------   (никель); --  --  --  --  (медь)

Оценка прочности по критерию Мора показывает, что уровень относительных эквивалентных напряжений растет с повышением прочностных свойств заготовки и контактной температуры и в исследованном диапазоне контактных давлений и температур кристалл алмаза сохраняет высокую прочность (рис.7).

Анализ особенностей трения металлов по алмазу показал, что инициировать разрушение и износ калибрующей части канала алмазных волок могут температуры выше 1000 ⁰С, при которых активируется процесс фазового перехода алмаза в графит.

Учитывая, что  действительный контакт твердых  тел является дискретным, был проведен расчет температур в точках фактического контакта (Крагельский И.В., Чичинадзе А.В.)

,

где - температура вспышки, обусловленная концентрацией тепловых потоков в вершине микронеровности.